DE1960776A1

DE1960776A1 - Optischer Sender mit passiver Q-Schaltung

Info

Publication number: DE1960776A1
Application number: DE19691960776
Authority: DE
Inventors: Krupke William F
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1969-01-10
Filing date: 1969-12-04
Publication date: 1970-07-30
Also published as: NL6918287A; DE1960776C3; SE361235B; US3638137A; IL33501A0; DE1960776B2; GB1300107A; IL33501A

Description

Optischer Sender mit passiver Q-Schaltung

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender
mit einer im Strahlengang des optischen Resonators angeordneten, ein Schaltgas enthaltenden Zelle zur passiven Q-Schaltung und/oder Modenverriegelung·

Eq ist durch Veröffentlichungen von Wood u.a. Appl. Phys. Letters, 11, 88,(1967) und Appl. Phys. Letters
12, 263 (1968) eine Methode zur passiven Q-Schaltung und Modenverriegelung bei einem optischen Sender mit CO^ als

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stimulierbarem Medium bekannt, die darin besteht, daß im optischen Resonator dieses optischen Senders eine Zelle mit gasförmigem Schwefelhexafluorid und außerdem ein Streuprismä* angeordnet sind.· Das Schwefelhexafluorid dient als Schaltgas, wogegen das Streuprisma Nebenschwingungen des COo-Senders bei Wellenlängen unterdrückt, die von 10,6 ^m abweichen· Diese Methode erfordert ein beträchtliches Abblenden (aperturing) des Resonators, um die erforderliche Spektralauflösung für das Schalten und die Modenverriegelung zu erzielen, wodurch allgemein die Ausgangsleistung des optischen Senders vermindert wird· Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sender mit passiver Q-Schaltung und/oder Modenverriegelung (mode locking) zu schaffen, der diesen Nachj teil nicht aufweist und eine hohe Durchschnittsleistung abgibt·

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, .daß'die das Schaltgas enthaltende Zelle außerdem ein selektiv absorbierendes Unterdrückergas enthält. Durch die Verwendung eines solchen selektiv absorbierenden .Unterdrückergases wird' ein Streuprisma oder auch ein Streugitter überflüssig und es ist dann auch nicht erforderlich, den Strahlengang stark abzublenden, um die gewünschte Spektralauflösung zu erhalten.

Die Erfindung macht es also möglich, Impulse einer kohärenten Strahlung mit hoher Folgefrequenz von einem auf mehreren Wellenlängen anregbaren optischen Sender durch passive Q-Schaltung und/oder Modenverriegelung unter Verwendung einer Gasmischung zu erhalten. Eines dieser Gase iat ein Dampf, der bei einer der Arbeitswellenlängen des

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optischen Senders, beispielsweise^, getrübt (bleached) werden kann. Das zweite Gas dient dem Zweck, Schwingungen des optischen Senders bei Arbeitswellenlängen zu unterdrücken, die von Xq abweichen. Es kann erforderlich sein, mehr als ein einziges Unterdrückergas zu benutzen, um alle unerwünschten Wellenlängen zu unterdrücken· Die Unterdrückergase müssen bei der Wellenlänge ΛQ im wesentlichen durchlässig und für die anderen Arbeitswellenlängen des optischen Senders verlustbehaftet sein.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen optischen Sender mit CO₀ als stimulierbarem Medium und einem nichtstreuenden Resonator. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wid iSnerGasmischung von SPg und CgFjCl in einer gemeinsten Gaszelle Gebrauch gemacht, die innerhalb des Resonators angeordnet ist· Das gasförmige C^JJl bildet das Unterdrückergas, das ' Schwingungen bei allen Wellenlängen, die von 10,6 /*m abweichen, durch selektive Absorption unterdrückt« Daraus ergibt sich dann die sich wiederholende Trübung des bei 10,(

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert wird» Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für eich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Ee zeigen

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Fig. 1 eine Art Blockdiagramm eines optischen Senders nach der Erfindung,

Fig. 2 die Absorptionsspektren eines Unterdrückergases und eines trübbaren Schaltgases, und zwar insbesondere für einen optischen GOp-Sender,

Fig. 3 das Diagramm eines regelmäßigen Zuges von durch Q-Schalten gewonnenen Impulsen des optischen Senders' nach Fig· 1,

Fig· 4 das Diagramm des Ausgangssignales eines freilaufenden, elektrisch angeregten optischen COo-Senders unter Verwendung der nach der Erfindung vorgesehenen Gasmischung und

Fig. 5 einen einzelnen Impuls des Diagramme nach Fig· in gröBerer, zeitlicher Auflösung·

Die folgenden Beispiele sind typisch für die Anwendung eines -optischen Senders mit COp als stimulierbarem Medium für Radarmessungen, zur Objektbeleuchtung, Signalgabe* Lichtübertragung und andere Zwecke, die Impulse einer ausgewählten, kohärenten Strahlung mit hoher Folgefrequenz verlangen, während ein solcher Molekularsender, wenn er freilaufend mit der gleichen Durchschnittsleistung betrieben wird, außer den ausgewählten Schwingungen auch Nebenschwingungen erzeugt. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, weist dieser optische Sender ein Pyrexrohr 10 von 2 m Länge und 1,45 cm Durchmesser auf, das mit einem Kühlwassermantel versehen und an seinen beiden Enden mit üblichen Salzfenstern 11 und 12 verschlossen ist, die unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind· Das in {.

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L i I _t ν L C*

diesem Rohr enthaltene COg wird mit einem nicht näher dargestellten Wechselstrom-Transformator angeregt, der von der Art ist, wie er auch zur Anregung von Neon-Leuchtschriftröhreri verwendet wird, und einen Strom von bis zu 60 mA bei 15 kV liefert. Der Resonator für das passive Q-Schalten allein besteht aus einem sphärischen Spiegel 13 mit einem Krümmungsradius von 5 m, der vollständig mit Gold beschichtet ist· Der zum Auskoppeln dienende Spiegel 14 besteht aus einer planparallelen Bariumfluorid-Scheibe, die mit einer dielektrischen ZnS-Schioht bedeckt ist, deren Dicke dem Viertel einer Wellenlänge gleich ist und die bei 10,6 /to ein Reflexionsvermögen von 33% aufweist·

Die Gasschaltzelle 15 ist ein gasdichter, lichtdurchlässiger Aluminiumzylinder von 2,5 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge mit lichtdurchlässigen Fenster ah den Enden· Dieser Zylinder kann separat als unabhängige, geschlossene' und lichtdurchlässige Zelle mit einer eingeschlossenen, geeigneten Gasmischung für einen gegebenen optischen' Sender hergestellt und am Ausgangsende des Resonators in den Resonator eingebaut werden· Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zelle 15 fest eingebaut und mit Salzfenster 15* verschlossen, die unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind· Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zelle auch nicht gasdicht abgeschlossen, damit verschiedene Mischungen von trübbarem Schaltgas undjUhterdrückergas untersucht werden können· Statt dessen wurde die Zelle 15 mit einem Gaseinlaß 16 und einem Gasauslaß 17 versehen· Mit einer an den Gaseinlaß 16 angeschlossenen Hauptleitung 16* ist ein Druckmesser 18 verbunden«- Der Zufluß der Gasmischung wird mit Hilfe eines Regelventils 19 in der

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Hauptleitung 16' gesteuert. Der Gasauslaß 17 ist über ein Steuerventil 20 und eine Leitung 21 mit einer geeigneten, üblichen Saugpumpe verbunden, die nicht näher dargestellt ist.

Die Zufuhr der Schalt- und IJnterdrückergase erfolgt mit Hilfe von Auslaßventilen 22 und 25, die Behälter 24 bzw. 25 mit der Hauptleitung 16' verbinden. Der Behälter enthält ein trübbares Gas, wie z.B. SPg, wogegen.der Behälter 25 ein Unterdrückergas wie_Chlortrifluoäthylen enthält. Diese Gase sind, wie schematisch angedeutet, in handelsüblichen Druckflaschen enthalten und werden

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in dem gewünschten Verhältnis in der Hauptleitung 16' gemischt.

Wie oben erwähnt, ist es bekannt, eine passive Q-Schaltung und Modenverriegelung eines optischen Senders mit COp als stimulierbarem Medium mit Schwefelhexafluorid als Schaltgas und'einem Streuprisma zur Unterdrückung von Nebenschwingungen mit von 10,6 jm. abweichenden Wellenlängen zu bewirken. Nach der Erfindung ist jedoch das Streuprisma oder ein Streugitter durch eine Zelle ersetzt, die ein zweites Gas oder eine Gasmischung mit selektiver Absorption enthält, die dem Zwecke dient, Nebenschwingungen von Strahlungswellenlängen zu unterdrücken, die von dem passiven Schalt gas übertragen werden. Im Fall eines optischen Senders mit COp als stimulierbarem Medium hat das Gas CpF^Cl ein einzigartiges selektives Absorptionsspektrum, das Strahlungen mit allen Wellenlängen absorbiert, für die der optische COp-Sender eine effektive Verstärkung aufweist, ausgenommen bei 10,6 yK,m. Dadurch unterdrückt das Unterdrücker-

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gas unerwünschte Schwingungen und ermöglicht eine wiederholte Trübung des gasförmigen SF₆ bei einer Wellenlänge von 10,6/*ϊη.

Wenn auch eine geeignete Mischung von Schaltgas und Unterdrückergas in einem willkürlichen Verhältnis für emittierende Übergänge, für die eine effektive Verstärkung besteht und die für ein passives Q-Schalten und eine Modenverriegelung bei der gewünschten Wellen länge unterdrückt werden müssen, hergestellt werden kann, so bestehen doch für einen OOg-Sender und ein passives Q-Schalten bei 10,6^Um die folgenden Bedingungen:

00° 1 ■*-> 02° 0 R-Zweig b<?i 9,2 00° 1 -» 02° 0 P-Zweig bei 9,6 Am 00° 1 -» 10° 0 R-Zweig bei 10,2/«m.

Wie in Fig. 2 dargestellt, hat das Unterdrückergas ein starkes Absorptionsband, das den Bereich von 9,0 bis 9$7/vm überdeckt und die Schwingungen in den 00^1 —$ 02°0 Bändern unterdrückt. Dieses Gas hat außerdem ein schwächeres Absorptionsband, das sich von 9,7 bis 10,4 erstreckt und genügend stark ist, um Schwingungen bei 10,2 Um zu unterdrücken. Dieses Gas ist im wesentlichen bei 10,6^m durchlässig, also bei der Wellenlänge, bei der mit dem Schaltgas, hier SFg, ein optimales Q-Schalten und Modenverriegeln erzielt wird.

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Eine passive Q-Schaltung und Modenverriegelung der Ausgangsstrahlung eines COp-Senders wurde mit einer Zelle erreicht, die eine Mischung von Unterdrückergas CpF^Ol und Schaltgas SSg im Verhältnis von 20:1 unter einem ^esamtdruck von 4 Torr enthielt und das übliche Streuprisma ersetzte. Diese Gasmischung erzeugte das in den Fig· 5 und 5 dargestellte Ausgangssignal des optischen Senders· Andere geeignete Gasmischungen in gewünschten Verhältnissen.können dazu benutzt werden, vergleichbare Resultate hinsichtlich des Ausgangesignales von optischen Sendern zu erzielen·

Wenn die Durchschnittsleistung des optischen Senders 1 W betrug und in der Zelle keine Gase enthalten waren, ergab sich ein kreisförmiges Modenbild mit einem Durchmesser von etwa 2 mm· Die Leistungsdichte betrug demnach 60 W/cm und war ausreichend, um das Q-Sehaltgas zu trüben· Wenn bei der oben beschriebenen Anordnung nur das Unterdrückergas in der Zelle 15 enthalten war, wurde bei einem Druck von bis zu. 50 Torr kein Verlust an Ausgangsleistung beobachtet· Wenn das Q-Schaltgas in dieser Zelle verwendet wurde, verschob sich die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung des optischen Senders auf 9,6/cm, ohne daß ein merklicher Leistungeverlust eintrat. Wenn das Unterdrückergas (OpF₅Cl) und das Sdhaltgas (SFg) in der Zelle 15 im Verhältnis von 20:1 bei einem Gesamtdruck von etwa 4· Torr enthalten waren, zerbrach das Ausgangs signal des optischen Senders in eine Serie von Impulsen hoher Intensität, wie es Fig· 5 zeigt, und es sank die Durchschnittsleistung auf 0,9 W ab· Die Impulsfolgefrequenz betrug 20 kHz und die Impulsspitzenleistung etwa 180 W. Fig. 4· veranschaulicht das Aus gangs signal

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eines frei arbeitenden optischen Senders, dessen Aus- ^o gangsstrahlung während der halben Arbeitszeit vorliegt· ;-vDer Leistungsmaßstab beträgt 2 W/cm und der Zeitmaßstab . ^'_:

Pig. 5 zeigt einen einzelnen, durch Q-Sdhalten mit Hilfe der oben erwähnten Gasmischung im Verhältnis von 20:1 erzeugten Impuls in größerer Auflösung. Der vertikale Maßstab beträgt 50 W/cm und der Horizontalmaßstab 0,5/^sec/cm. Die Breite des Impulses bei halber Leistung beträgt etwa 0,5/wiec· Unter Verwendung dieses Wertes ala Impulsbreite . und einer Spitzenleistung von 180 W in Verbindung sit der ■ latsach·, daß dir optische Sender nur während der Halft· - der Arbeitszeit in !Tätigkeit ist, ergibt sieh eine be- ,rechnete Durchschnittsleistung von 0,9 W, wag alt der V gemessenen Leistung übereinstimmt·

»'•Υ¹; ■ .

V: Mil? HIlXe Ton SYg- und OgNOl-Gaaen wurde auch eine

.. passive Modenverriegelung einee COo-Senders vorge-

Xn dl··« fall hatte das 0O₂ enthaltende fiohr des/Senders eine Entladungslänge von 4,3 m und es war der optisch« Besonator 15 β lang. Dieser Resonator 'fcatte einen Abstand der Aalalaoden von 10 MHi und innerhalb der Doppltr-Linienbreite von 30 MHs der CO^oleküle t\int Axialaoden» Bs wurden mit einer Mischung von SFg und OJ?5OI in der Versuchszelle Impulse mit einer Folgefrequenz von 10 MHz erzielt·

Beispiele für andere zwei Gase umfassende Mischungen zum Q-Schalten des gleichen oder anderer optischer Molekül-.Sender sind die folgenden:

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Gas des Wellenlänge bei Unterdrücker- Schaltgas Senders Q-Sehaltung (/um) gas

	10.6	• ^l ^l ^l "I *^/ t~tiB* ^^^ JL**	^SF6 ■' !
0O₂	10.6	O₂P₃Ol	Bd₅
σο₂	10.6	CF_x:CCl_x P P	CH^CF₂H
CO₂	10.6	CF_x:CCl_x P P	BP₆
COg	10.6	O₂F₅Ol	BOl₅ · _:
GOg	10.6	OF_xSpOIx	CH₂:CFg ^
COg	10.6	CF_x:CCI_x	OH₅ 1 OFgH
*⁰⁰Z*	10.6	OH_xJCFgOl	CHg: CFg
COg , *	9.6 .		CgF₅Cl
^N2°	3 - ' 10.5	OH₅: CFgCl	BCl₅
K₂O	9.6	C₂F₅Cl

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Im Fall eines optischen Senders mit N₃O als stimulierbarem Medium sind die Schwingungsbänder, bei denen eine effektive Verstärkung vorliegen kann, die folgenden:

P-Zweig 00° Λ —> 10⁰O 10.8

R-Zweig 00° 1 -» 10°0 10.5/im

P-Zweiß 00° 1 -> 02⁰O 9.6 fm

R-Zweig 00° 1 -» 02⁰O 9·5/μ*

Sie vorstehenden Ausführungen haben gezeigt, daß die Erfindung eine Methode angibt, die ein passives Q-Sehalten und Modenverriegeln optischer Sender zur Urzeugung von Impulsen kohärenter Strahlung mit hoher Impulsfolgefrequenz ermöglicht, bei der die gleiche Durchschnittsleistung erzielt wird wie beim Dauerstrichbetrieb. Die obige Liste zeigt, daß diese Methode nicht nur bei COg-

Sendern mit C₀F₂Cl als Unterdrückergas und SF_C als dp ο

Schaltgas mit Erfolg anwendbar ist, sondern auch bei anderen optischen Sendern und mit anderen Gasen als Unterdrücker- und Schaltgas, und es ist die Erfindung auch keineswegs auf die oben angegebenen stimulierbaren Medien und Grasmischungen beschränkt.

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Claims

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Patentansprüche - "■ '■' -■'/.

Optischer Sender mit einer im Strahlengang des optischen Heaonators angeordneten, ein Schaltgas enthaltenclan Zelle sur passiven Q-Schaltung und/oder Modenverri@gelung, dadurch gekennzeichnet, daß die das S©haltga,3 enthaltende Zelle (15) außerdem ein selektiv absorbierendes Unterdrückergas enthält.

2. Optischer Baader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als atimuljLerbarea Medium ein Gas, vorzugsweise 0Og₉ enthält·

3ο Optischer Sender nach Anspruch Ί oder 2, dadurch . gekennzeichnet, daß in der Zelle (15) als Schalt-. gas Schwefelhexafluorid und als Unterdrückergas öhlortrifluoräthylen enthalten' ist.

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